Combustion modeling in a pressurized gas turbine burner using Large-Eddy Simulations

The research leading to these results has received funding from the European Union's Horizon 2020 Programme under the ESTiMatE project, grant agreement No. 821418. The authors thankfully acknowledge the computer resources at MareNostrum and the technical support provided by Barcelona Supercomputing Center (IM-2020-3-0022, IM-2021-1-0016).García-Oliver, JM.; Pastor Enguídanos, JM.; Olmeda-Ramiro, I.; Both, A.; Mira, D. (2022). Combustion modeling in a pressurized gas turbine burner using Large-Eddy Simulations. 690-699. http://hdl.handle.net/10251/19067769069

LES Eulerian diffuse-interface modeling of fuel dense sprays near- and far-field

[EN] Engine fuel spray modeling still remains a challenge, especially in the dense near-nozzle region. This region is difficult to experimentally access and also to model due to the complex and rapid liquid and gas interaction. Modeling approaches based on Lagrangian particle tracking have failed in this area, while Eulerian modeling has proven to be particularly useful. Interface resolved methods are still limited to primary atomization academic configurations due to excessive computational requirements. To overcome those limitations, the single-fluid diffuse interface model known as Sigma-Y, arises as a single-framework for spray simulations. Under the assumption of scale separation at high Reynolds and Weber numbers, liquid dispersion is modeled as turbulent mixing of a variable density flow. The concept of surface area density is used for representing liquid structures, regardless of the complexity of the interface. In this work, a LES based implementation of the Sigma-Y model in the OpenFOAM CFD library is applied to simulate the ECN Spray A configuration. Model assessment is performed for both near- and far-field spray development regions using different experimental diagnostics available from ECN database. The CFD model is able to capture near-nozzle fuel mass distribution and, after Sigma equation constant calibration, interfacial surface area. Accurate predictions of spray far-field evolution in terms of liquid and vapor tip penetration and local velocity can be simultaneously achieved. Model accuracy is lower when compared to mixture fraction axial evolution, despite radial distribution profiles are well captured.This work was partially funded by the Spanish Ministerio de Economia y Competitividad within the frame of the CHEST (TRA2017-89139-C2-1-R) project. The computations were partially performed on the Tirant III cluster of the Servei d'Informatica of the University of Valencia (vlc38-FI-2018-2-0006). Authors acknowledge the computer resources at Picasso and the technical support provided by Universidad de Malaga (UMA) (RES-FI-2018-1-0039).Desantes Fernández, JM.; García-Oliver, JM.; Pastor Enguídanos, JM.; Olmeda-Ramiro, I.; Pandal, A.; Naud, B. (2020). LES Eulerian diffuse-interface modeling of fuel dense sprays near- and far-field. International Journal of Multiphase Flow. 127:1-13. https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2020.103272S113127Andreini, A., Bianchini, C., Puggelli, S., & Demoulin, F. X. (2016). Development of a turbulent liquid flux model for Eulerian–Eulerian multiphase flow simulations. International Journal of Multiphase Flow, 81, 88-103. doi:10.1016/j.ijmultiphaseflow.2016.02.003Anez, J., Ahmed, A., Hecht, N., Duret, B., Reveillon, J., & Demoulin, F. X. (2019). Eulerian–Lagrangian spray atomization model coupled with interface capturing method for diesel injectors. International Journal of Multiphase Flow, 113, 325-342. doi:10.1016/j.ijmultiphaseflow.2018.10.009Baldwin, E. T., Grover, R. O., Parrish, S. E., Duke, D. J., Matusik, K. E., Powell, C. F., … Schmidt, D. P. (2016). String flash-boiling in gasoline direct injection simulations with transient needle motion. International Journal of Multiphase Flow, 87, 90-101. doi:10.1016/j.ijmultiphaseflow.2016.09.004Bardi, M., Payri, R., Malbec, L. M., Bruneaux, G., Pickett, L. M., Manin, J., … Genzale, C. (2012). ENGINE COMBUSTION NETWORK: COMPARISON OF SPRAY DEVELOPMENT, VAPORIZATION, AND COMBUSTION IN DIFFERENT COMBUSTION VESSELS. Atomization and Sprays, 22(10), 807-842. doi:10.1615/atomizspr.2013005837Battistoni, M., Som, S., & Powell, C. F. (2019). Highly resolved Eulerian simulations of fuel spray transients in single and multi-hole injectors: Nozzle flow and near-exit dynamics. Fuel, 251, 709-729. doi:10.1016/j.fuel.2019.04.076Beheshti, N., Burluka, A. A., & Fairweather, M. (2007). Assessment of Σ−Y liq model predictions for air-assisted atomisation. Theoretical and Computational Fluid Dynamics, 21(5), 381-397. doi:10.1007/s00162-007-0052-3Chesnel, J., Reveillon, J., Menard, T., & Demoulin, F.-X. (2011). LARGE EDDY SIMULATION OF LIQUID JET ATOMIZATION. Atomization and Sprays, 21(9), 711-736. doi:10.1615/atomizspr.2012003740CMT, 2018. Virtual injection rate generator.Crua, C., Heikal, M. R., & Gold, M. R. (2015). Microscopic imaging of the initial stage of diesel spray formation. Fuel, 157, 140-150. doi:10.1016/j.fuel.2015.04.041Crua, C., Manin, J., & Pickett, L. M. (2017). On the transcritical mixing of fuels at diesel engine conditions. Fuel, 208, 535-548. doi:10.1016/j.fuel.2017.06.091Dahms, R. N., Manin, J., Pickett, L. M., & Oefelein, J. C. (2013). Understanding high-pressure gas-liquid interface phenomena in Diesel engines. Proceedings of the Combustion Institute, 34(1), 1667-1675. doi:10.1016/j.proci.2012.06.169Demoulin, F.-X., Beau, P.-A., Blokkeel, G., Mura, A., & Borghi, R. (2007). A NEW MODEL FOR TURBULENT FLOWS WITH LARGE DENSITY FLUCTUATIONS: APPLICATION TO LIQUID ATOMIZATION. Atomization and Sprays, 17(4), 315-345. doi:10.1615/atomizspr.v17.i4.20Demoulin, F.-X., Reveillon, J., Duret, B., Bouali, Z., Desjonqueres, P., & Menard, T. (2013). TOWARD USING DIRECT NUMERICAL SIMULATION TO IMPROVE PRIMARY BREAK-UP MODELING. Atomization and Sprays, 23(11), 957-980. doi:10.1615/atomizspr.2013007439Desantes, J. M., García-Oliver, J. M., Pastor, J. M., Pandal, A., Baldwin, E., & Schmidt, D. P. (2016). Coupled/decoupled spray simulation comparison of the ECN spray a condition with the -Y Eulerian atomization model. International Journal of Multiphase Flow, 80, 89-99. doi:10.1016/j.ijmultiphaseflow.2015.12.002Dukowicz, J. K. (1980). A particle-fluid numerical model for liquid sprays. Journal of Computational Physics, 35(2), 229-253. doi:10.1016/0021-9991(80)90087-xDuret, B., Reveillon, J., Menard, T., & Demoulin, F. X. (2013). Improving primary atomization modeling through DNS of two-phase flows. International Journal of Multiphase Flow, 55, 130-137. doi:10.1016/j.ijmultiphaseflow.2013.05.004ECN, 2014. LVF data archive.ECN, 2018. Engine combustion network data archive.Garcia-Oliver, J. M., Pastor, J. M., Pandal, A., Trask, N., Baldwin, E., & Schmidt, D. P. (2013). DIESEL SPRAY CFD SIMULATIONS BASED ON THE Σ-Υ EULERIAN ATOMIZATION MODEL. Atomization and Sprays, 23(1), 71-95. doi:10.1615/atomizspr.2013007198Gorokhovski, M., & Herrmann, M. (2008). Modeling Primary Atomization. Annual Review of Fluid Mechanics, 40(1), 343-366. doi:10.1146/annurev.fluid.40.111406.102200Hussein, H. J., Capp, S. P., & George, W. K. (1994). Velocity measurements in a high-Reynolds-number, momentum-conserving, axisymmetric, turbulent jet. Journal of Fluid Mechanics, 258, 31-75. doi:10.1017/s002211209400323xIlavsky, J., & Jemian, P. R. (2009). Irena: tool suite for modeling and analysis of small-angle scattering. Journal of Applied Crystallography, 42(2), 347-353. doi:10.1107/s0021889809002222Jasak, H., Weller, H. G., & Gosman, A. D. (1999). High resolution NVD differencing scheme for arbitrarily unstructured meshes. International Journal for Numerical Methods in Fluids, 31(2), 431-449. doi:10.1002/(sici)1097-0363(19990930)31:23.0.co;2-tKastengren, A., Ilavsky, J., Viera, J. P., Payri, R., Duke, D. J., Swantek, A., … Powell, C. F. (2017). Measurements of droplet size in shear-driven atomization using ultra-small angle x-ray scattering. International Journal of Multiphase Flow, 92, 131-139. doi:10.1016/j.ijmultiphaseflow.2017.03.005Kastengren, A. L., Tilocco, F. Z., Powell, C. F., Manin, J., Pickett, L. M., Payri, R., & Bazyn, T. (2012). ENGINE COMBUSTION NETWORK (ECN): MEASUREMENTS OF NOZZLE GEOMETRY AND HYDRAULIC BEHAVIOR. Atomization and Sprays, 22(12), 1011-1052. doi:10.1615/atomizspr.2013006309Kastengren, A. L., Tilocco,F. Z., Duke, D. J., Powell, C. F., Seoksu, M., Xusheng, Z., 2012b. Time-resolved x-ray radiography of diesel injectors from the engine combustion network. ICLASS Paper (1369).Kastengren, A. L., Powell, C. F., Wang, Y., Im, K.-S., & Wang, J. (2009). X-RAY RADIOGRAPHY MEASUREMENTS OF DIESEL SPRAY STRUCTURE AT ENGINE-LIKE AMBIENT DENSITY. Atomization and Sprays, 19(11), 1031-1044. doi:10.1615/atomizspr.v19.i11.30Klein, M., Sadiki, A., & Janicka, J. (2003). A digital filter based generation of inflow data for spatially developing direct numerical or large eddy simulations. Journal of Computational Physics, 186(2), 652-665. doi:10.1016/s0021-9991(03)00090-1Kraichnan, R. H. (1970). Diffusion by a Random Velocity Field. Physics of Fluids, 13(1), 22. doi:10.1063/1.1692799Lacaze, G., Misdariis, A., Ruiz, A., & Oefelein, J. C. (2015). Analysis of high-pressure Diesel fuel injection processes using LES with real-fluid thermodynamics and transport. Proceedings of the Combustion Institute, 35(2), 1603-1611. doi:10.1016/j.proci.2014.06.072Lebas, R., Menard, T., Beau, P. A., Berlemont, A., & Demoulin, F. X. (2009). Numerical simulation of primary break-up and atomization: DNS and modelling study. International Journal of Multiphase Flow, 35(3), 247-260. doi:10.1016/j.ijmultiphaseflow.2008.11.005Ma, P. C., Wu, H., Jaravel, T., Bravo, L., & Ihme, M. (2019). Large-eddy simulations of transcritical injection and auto-ignition using diffuse-interface method and finite-rate chemistry. Proceedings of the Combustion Institute, 37(3), 3303-3310. doi:10.1016/j.proci.2018.05.063Macian, V., Bermudez, V., Payri, R., & Gimeno, J. (2003). NEW TECHNIQUE FOR DETERMINATION OF INTERNAL GEOMETRY OF A DIESEL NOZZLE WITH THE USE OF SILICONE METHODOLOGY. Experimental Techniques, 27(2), 39-43. doi:10.1111/j.1747-1567.2003.tb00107.xManin, J., Bardi, M., Pickett, L. M., & Manin, J. (2012). SP2-4 Evaluation of the liquid length via diffused back-illumination imaging in vaporizing diesel sprays(SP: Spray and Spray Combustion,General Session Papers). The Proceedings of the International symposium on diagnostics and modeling of combustion in internal combustion engines, 2012.8(0), 665-673. doi:10.1299/jmsesdm.2012.8.665Matheis, J., & Hickel, S. (2018). Multi-component vapor-liquid equilibrium model for LES of high-pressure fuel injection and application to ECN Spray A. International Journal of Multiphase Flow, 99, 294-311. doi:10.1016/j.ijmultiphaseflow.2017.11.001Naber, J., Siebers, D., 1996. Effects of gas density and vaporization on penetration and dispersion of diesel sprays. SAE Technical Paper (960034).Nicoud, F., Toda, H. B., Cabrit, O., Bose, S., & Lee, J. (2011). Using singular values to build a subgrid-scale model for large eddy simulations. Physics of Fluids, 23(8), 085106. doi:10.1063/1.3623274Oefelein, J., Dahms, R., & Lacaze, G. (2012). Detailed Modeling and Simulation of High-Pressure Fuel Injection Processes in Diesel Engines. SAE International Journal of Engines, 5(3), 1410-1419. doi:10.4271/2012-01-1258Pandal, A., Pastor, J. M., Payri, R., Kastengren, A., Duke, D., Matusik, K., … Schmidt, D. (2017). Computational and Experimental Investigation of Interfacial Area in Near-Field Diesel Spray Simulation. SAE International Journal of Fuels and Lubricants, 10(2), 423-431. doi:10.4271/2017-01-0859Pandal, A., Payri, R., García-Oliver, J. M., & Pastor, J. M. (2017). Optimization of spray break-up CFD simulations by combining Σ-Y Eulerian atomization model with a response surface methodology under diesel engine-like conditions (ECN Spray A). Computers & Fluids, 156, 9-20. doi:10.1016/j.compfluid.2017.06.022Pastor, J. V., Garcia-Oliver, J. M., Pastor, J. M., & Vera-Tudela, W. (2015). ONE-DIMENSIONAL DIESEL SPRAY MODELING OF MULTICOMPONENT FUELS. Atomization and Sprays, 25(6), 485-517. doi:10.1615/atomizspr.2014010370Pickett, L. M., Manin, J., Genzale, C. L., Siebers, D. L., Musculus, M. P. B., & Idicheria, C. A. (2011). Relationship Between Diesel Fuel Spray Vapor Penetration/Dispersion and Local Fuel Mixture Fraction. SAE International Journal of Engines, 4(1), 764-799. doi:10.4271/2011-01-0686Pickett, L. M., Manin, J., Kastengren, A., & Powell, C. (2014). Comparison of Near-Field Structure and Growth of a Diesel Spray Using Light-Based Optical Microscopy and X-Ray Radiography. SAE International Journal of Engines, 7(2), 1044-1053. doi:10.4271/2014-01-1412Poinsot, T. ., & Lelef, S. . (1992). Boundary conditions for direct simulations of compressible viscous flows. Journal of Computational Physics, 101(1), 104-129. doi:10.1016/0021-9991(92)90046-2Pope, S. B. (2004). Ten questions concerning the large-eddy simulation of turbulent flows. New Journal of Physics, 6, 35-35. doi:10.1088/1367-2630/6/1/035Poursadegh, F., Lacey, J. S., Brear, M. J., & Gordon, R. L. (2017). On the Fuel Spray Transition to Dense Fluid Mixing at Reciprocating Engine Conditions. Energy & Fuels, 31(6), 6445-6454. doi:10.1021/acs.energyfuels.7b00050Ricou, F. P., & Spalding, D. B. (1961). Measurements of entrainment by axisymmetrical turbulent jets. Journal of Fluid Mechanics, 11(1), 21-32. doi:10.1017/s0022112061000834Robert, A., Martinez, L., Tillou, J., & Richard, S. (2013). Eulerian – Eulerian Large Eddy Simulations Applied to Non-Reactive Transient Diesel Sprays. Oil & Gas Science and Technology – Revue d’IFP Energies nouvelles, 69(1), 141-154. doi:10.2516/ogst/2013140Schmidt, D. P., Gopalakrishnan, S., & Jasak, H. (2010). Multi-dimensional simulation of thermal non-equilibrium channel flow. International Journal of Multiphase Flow, 36(4), 284-292. doi:10.1016/j.ijmultiphaseflow.2009.11.012Shin, D., Sandberg, R. D., & Richardson, E. S. (2017). Self-similarity of fluid residence time statistics in a turbulent round jet. Journal of Fluid Mechanics, 823, 1-25. doi:10.1017/jfm.2017.304Shinjo, J., & Umemura, A. (2010). Simulation of liquid jet primary breakup: Dynamics of ligament and droplet formation. International Journal of Multiphase Flow, 36(7), 513-532. doi:10.1016/j.ijmultiphaseflow.2010.03.008Taub, G. N., Lee, H., Balachandar, S., & Sherif, S. A. (2013). A direct numerical simulation study of higher order statistics in a turbulent round jet. Physics of Fluids, 25(11), 115102. doi:10.1063/1.4829045Trask, N., Schmidt, D. P., Lightfoot, M., & Danczyk, S. (2012). Compressible Modeling of the Internal Two-Phase Flow in a Gas-Centered Swirl Coaxial Fuel Injector. Journal of Propulsion and Power, 28(4), 685-693. doi:10.2514/1.b34102Wehrfritz, A., Kaario, O., Vuorinen, V., & Somers, B. (2016). Large Eddy Simulation of n-dodecane spray flames using Flamelet Generated Manifolds. Combustion and Flame, 167, 113-131. doi:10.1016/j.combustflame.2016.02.019Weller, H. G., Tabor, G., Jasak, H., & Fureby, C. (1998). A tensorial approach to computational continuum mechanics using object-oriented techniques. Computers in Physics, 12(6), 620. doi:10.1063/1.168744Xue, Q., Battistoni, M., Powell, C. F., Longman, D. E., Quan, S. P., Pomraning, E., … Som, S. (2015). An Eulerian CFD model and X-ray radiography for coupled nozzle flow and spray in internal combustion engines. International Journal of Multiphase Flow, 70, 77-88. doi:10.1016/j.ijmultiphaseflow.2014.11.012Xue, Q., Som, S., Senecal, P. K., & Pomraning, E. (2013). LARGE EDDY SIMULATION OF FUEL-SPRAY UNDER NON-REACTING IC ENGINE CONDITIONS. Atomization and Sprays, 23(10), 925-955. doi:10.1615/atomizspr.201300832

Assessment of Detailed Combustion and Soot Models for High-Fidelity Aero-Engine Simulations

[ES] En los últimos años, el interés por el desarrollo de motores de aviación limpios y eficientes se ha incrementado debido al impacto perjudicial sobre la salud y el medio ambiente ocasionado por los sistemas de combustión convencionales. En este contexto, la comunidad científica ha ido centrando cada vez más sus esfuerzos en el estudio de la combustión turbulenta y la generación de emisiones contaminantes como las partículas de hollín. Con los recientes avances en lo que respecta a potencia de cálculo, las simulaciones de alta fidelidad emergen como una valiosa alternativa para reproducir y analizar estos fenómenos. En concreto, las simulaciones basadas en el modelado de la turbulencia LES son consideradas como una de las herramientas numéricas más prometedoras a la hora de profundizar en la comprensión sobre los complejos procesos dinámicos que caracterizan el flujo reactivo turbulento y predecir emisiones de hollín en aplicaciones aeronáuticas. En el presente trabajo, se estudia y analiza la combustión turbulenta y producción de hollín en aplicaciones de turbina de gas mediante LES de alta fidelidad. El modelado de la combustión se aborda a través de un método flexible de química tabulada basado en el concepto flamelet, el cual es capaz de representar fenómenos químicos complejos con un coste computacional asequible. Además, se emplea una aproximación Euleriana-Lagrangiana para la descripción de la fase gaseosa y las gotas, de forma que se represente correctamente el flujo reactivo multifásico. Para la predicción de hollín en simulaciones computacionalmente eficientes, se emplea un novedoso enfoque de modelado basada en el método seccional y acoplada al modelo de combustión de química tabulada. Esta estrategia de modelado numérica es utilizada en este trabajo para analizar el proceso de combustión y evaluar sus capacidades para predecir hollín y las características de la llama en quemadores de turbina de gas representativos. En primer lugar, se estudia la combustión de flujo bifásico en una llama atmosférica sin torbellinador con inyección líquida de combustible. Este quemador presenta una estructura doble del frente reactivo y las simulaciones numéricas son capaces de capturar adecuadamente los fenómenos de extinción local que tienen lugar en la zona interna de la llama debido a la interacción de las gotas y la turbulencia con el frente reactivo. Posteriormente, se investiga la combustión y producción de hollín en un quemador presurizado con torbellinador que incluye aire secundario de dilución en el interior de la cámara de combustión. La validación del flujo reactivo y hollín se lleva a cabo tanto en la configuración del quemador con aire secundario como sin el mismo, mostrando unas excelentes capacidades predictivas en ambos casos. La presente estrategia de modelado reproduce de forma precisa el complejo patrón de flujo, la estructura de la llama y la dinámica de generación de hollín, además de que es capaz de proporcionar diferentes distribuciones de tamaño de partícula dependiendo de las variaciones en los procesos de formación y oxidación del hollín. En resumen, los diferentes casos prácticos estudiados permiten consolidar y validar la metodología computacional seguida en la presente tesis. La estrategia de modelado basada en química tabulada propuesta demuestra ser lo suficientemente válida y adecuada para reproducir los complejos fenómenos de la combustión y la formación de hollín, en vista de la consistencia del análisis, las precisas predicciones y la concordancia satisfactoria con las medidas experimentales.[CA] En els últims anys, l'interés pel desenvolupament de motors d'aviació nets i eficients s'ha incrementat a causa de l'impacte perjudicial sobre la salut i el medi ambient ocasionat pels sistemes de combustió convencionals. En aquest context, la comunitat científica ha anat centrant cada vegada més els seus esforços en l'estudi de la combustió turbulenta i la generació d'emissions contaminants com les partícules de sutge. Amb els recents avanços pel que fa a potència de càlcul, les simulacions d'alta fidelitat emergeixen com una valuosa alternativa per a reproduir i analitzar aquests fenòmens. En concret, les simulacions basades en el modelatge de la turbulència LES són considerades com una de les eines numèriques més prometedores a l'hora d'aprofundir en la comprensió sobre els complexos processos dinàmics que caracteritzen el flux reactiu turbulent i predir emissions de sutge en aplicacions aeronàutiques. En el present treball, s'estudia i analitza la combustió turbulenta i la producció de sutge en aplicacions de turbina de gas mitjançant LES d'alta fidelitat. El modelatge de la combustió s'aborda a través d'un mètode flexible de química tabulada basat en el concepte flamelet, el qual és capaç de representar fenòmens químics complexos amb un cost computacional assequible. A més, s'empra una aproximació Euleriana-Lagrangiana per a la descripció de la fase gasosa i les gotes, de manera que es represente correctament el flux reactiu multifàsic. Per a la predicció de sutge en simulacions computacionalment eficients, s'empra un nou plantejament de modelatge basat en el mètode seccional i acoblat al model de combustió de química tabulada. Aquesta estratègia de modelatge numèrica és utilitzada en aquest treball per a analitzar el procés de combustió en cremadors de turbina de gas representatius, i avaluar les seues capacitats per a predir sutge i les característiques de la flama. En primer lloc, s'estudia la combustió de flux bifàsic en una flama atmosfèrica sense remolinador amb injecció líquida de combustible. Aquest cremador presenta una estructura doble del front reactiu i les simulacions numèriques són capaces de capturar adequadament els fenòmens d'extinció local que tenen lloc en la zona interna de la flama a causa de la interacció de les gotes i la turbulència amb el front reactiu. Posteriorment, s'investiga la combustió i producció de sutge en un cremador pressuritzat amb remolinador que inclou aire secundari de dilució a l'interior de la cambra de combustió. La validació del flux reactiu i sutge es duu a terme tant en la configuració del cremador amb aire secundari com sense aquest, mostrant unes estupendes capacitats predictives en tots dos casos. La present estratègia de modelatge reprodueix de manera precisa el complex patró de flux, l'estructura de la flama i la dinàmica de generació de sutge, a més de que és capaç de proporcionar diferents distribucions de grandària de partícula depenent de les variacions en els processos de formació i oxidació del sutge. En resum, els diferents casos pràctics estudiats permeten consolidar i validar la metodologia computacional seguida en la present tesi. L'estratègia de modelatge basada en química tabulada proposada demostra ser prou vàlida i adequada per a reproduir els complexos fenòmens de la combustió i la formació de sutge, en vista de la consistència de l'anàlisi, les precises prediccions i la concordança satisfactòria amb les mesures experimentals.[EN] In recent years, interest in the development of efficient and clean aviation powerplants has increased due to the detrimental impact on health and the environment caused by conventional combustion systems. In this context, the research community has increasingly focused its efforts on the study of turbulent combustion and the generation of pollutant emissions such as soot particulates. With recent advances in computational power, high-fidelity simulations emerge as a valuable alternative to reproduce and analyze these phenomena. Specifically, Large Eddy Simulations (LES) are considered as one of the most promising numerical tools to provide further insight into the complex dynamic processes that characterize reactive turbulent flows and predict soot emissions in aeronautical applications. In the present work, turbulent combustion and soot production is studied and analyzed in gas turbine engine applications by means of high-fidelity LES. Combustion modelling is addressed by a flexible tabulated chemistry method based on the flamelet concept, which is able to represent complex chemical phenomena with an affordable computational cost. In addition, an Eulerian- Lagrangian description is employed for the gas phase and droplets in order to correctly represent the multiphase flow in spray flames. A recently developed approach based on the sectional method and coupled to the tabulated chemistry framework is considered for soot prediction in computationally efficient simulations. This numerical modelling framework is used in this work to analyze the combustion process and evaluate its capabilities to predict soot and flame characteristics in representative gas turbine burners. First, an atmospheric non-swirled spray flame is studied in terms of two-phase flow combustion. This burner shows a double reaction front structure and local extinction occurs in the inner layer due to both droplet-flame and turbulence-flame interactions, which is properly characterized by LES. Subsequently, combustion and soot production is investigated in a pressurized swirled model combustor which includes secondary dilution jets inside the combustion chamber. The assessment of the reacting flow field and soot is addressed for burner configurations with and without secondary air, showing excellent predictive capabilities in both cases. The present modelling approach accurately reproduce the complex swirled flow field, flame structure and soot dynamics and is able to provide different particle size distributions depending on the variations of the soot formation and oxidation processes. In summary, the different practical cases studied allow to consolidate and validate the computational methodology followed in the present thesis. The proposed tabulated modelling strategy is sufficiently valid and suitable for reproducing complex combustion and soot formation phenomena, in view of the consistency of the analysis, the accurate predictions and the satisfactory agreement with the experimental measurements.El desarrollo de la presente tesis ha sido posible gracias a una ayuda para la Formación de Profesorado Universitario (FPU 18/03065) perteneciente al Subprograma Estatal de Formación del Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades de España. Además, el trabajo desarrollado está enmarcado en el proyecto ESTiMatE (Emissions SooT ModEl), que ha sido financiado por el consorcio Clean Sky 2 bajo el programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea (acuerdo No. 821418). Las actividades de simulación numérica han sido posibles gracias a la Red Española de Supercomputación y al Centro de Supercomputación de Barcelona por los recursos computacionales proporcionados en MareNostrum, además del grupo PRACE por conceder el acceso a HAWK (GCS, HLRS, Alemania) a través del proyecto SootAero.Olmeda Ramiro, I. (2023). Assessment of Detailed Combustion and Soot Models for High-Fidelity Aero-Engine Simulations [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/20228

Análisis del flujo no reactivo e inyección líquida de combustible en cámaras de combustión mediante Mecánica de Fluidos Computacional

[ES] El estudio sobre los sistemas de combustión y la inyección de combustibles líquidos es un tema fundamental para el diseño de novedosos sistemas de propulsión, entre los que se encuentra el concepto Lean Direct Injection para motores de flujo continuo, que surge como respuesta a las normativas sobre emisiones contaminantes. En este contexto, las simulaciones numéricas toman un papel muy significativo para el análisis de estos quemadores. El presente trabajo aborda el estudio del flujo no reactivo y combustión en diferentes quemadores de este tipo mediante simulaciones LES, en conjunto con un modelo Lagrangiano para la inyección del combustible líquido y un modelo basado en el concepto flamelet para el proceso de combustión. Se presenta, por un lado, la validación de los campos de velocidades y mezcla para un quemador confinado gaseoso (KIAI) y, por otra parte, la caracterización del spray líquido de combustible en un quemador atmosférico (CRSB). En general, la mayoría de los resultados para ambas partes muestran una elevada concordancia al compararlos con medidas experimentales y se puede decir que el trabajo realizado deja una base sólida para el posterior estudio del flujo reactivo.[EN] The study on combustion systems and liquid fuel injection is a fundamental topic for the design of new propulsion systems, among which is the Lean Direct Injection concept for continuous flow engines, which arises in response to the pollutant emissions regulation. In this context, numerical simulations play a very significant role in the analysis of these burners. This work deals with the study of non-reactive flow and combustion in this type of burners by means of Large Eddy Simulations, together with a Lagrangian model for the liquid fuel injection and a combustion model based on the flamelet concept. On the one hand, the velocity and mixing fields assessment has been carried out for a gaseous confined burner (KIAI). On the other hand, the characterization of the liquid fuel spray in an atmospheric burner (CRSB) has been performed. Overall, most of the results for both parts agree fairly well with the experimental measurements and it can be conclude that this analysis establishes a solid basis for the subsequent study of the reactive flow.Olmeda Ramiro, I. (2020). Análisis del flujo no reactivo e inyección líquida de combustible en cámaras de combustión mediante Mecánica de Fluidos Computacional. Universitat Politècnia de València. http://hdl.handle.net/10251/157436TFG

Mejora de una herramienta de diagnóstico de la combustión mediante la implementación de un modelo de llenado-vaciado

[ES] Actualmente, la inquietud por parte de las empresas punteras en automoción por las cada vez más estrictas normativas de emisiones y los nuevos ciclos de homologación de motores hace que el estudio en profundidad de los motores alternativos y el desarrollo de herramientas que sean capaces de predecir su comportamiento sea un tema de gran interés y dedicación. El presente trabajo se centra en la mejora de una herramienta de diagnóstico de la combustión a partir de la presión medida en el cilindro del motor, un tipo de herramienta con múltiples ventajas, en especial a la hora de estudiar y comprender los fenómenos físicos que se producen en la combustión. Concretamente, la primera parte del trabajo consistirá en implementar un submodelo de llenado-vaciado capaz de simular el proceso de renovación de la carga del motor y que permita calcular variables como la masa atrapada en el cilindro, un parámetro de destacable importancia en el diagnóstico de la combustión. Por otro lado, se realizará un análisis de la viabilidad del modelo, a partir del estudio de varios puntos de funcionamiento en condiciones estacionarias del motor, así como de un ciclo de homologación transitorio WLTP. Debido al interés por los ciclos transitorios de homologación, se hará uso de una herramienta predictiva de simulación para complementar la herramienta de diagnóstico de la combustión y profundizar en el entendimiento de este tipo de ciclos.[CA] Actualment, la inquietud per part de les empreses punteres en automoció per les cada vegada més estrictes normatives d'emissions i els nous cicles d'homologació de motors fa que l'estudi en profunditat dels motors alternatius i el desenvolupament d'eines que siguen capaços de predir el seu comportament siga un tema de gran interès i dedicació. El present treball es centra en la millora d'una eina de diagnòstic de la combustió a partir de la pressió en el cilindre del motor, un tipus d'eina amb múltiples avantatges, especialment a l'hora d'estudiar i comprendre els fenòmens físics que es produeixen en la combustió. Concretament, la primera part del treball consistirà en implementar un submodel d'ompliment-buidatge capaç de simular el procés de renovació de la càrrega del motor i que permeta calcular variables com la massa atrapada en el cilindre, un paràmetre de destacable importància en el diagnòstic de la combustió. D'altra banda, es realitzarà una anàlisi de la viabilitat del model, a partir de l'estudi de diversos punts de funcionament en condicions estacionàries del motor, així com d'un cicle d'homologació transitori WLTP. A causa de l'interès pels cicles transitoris d'homologació, es farà ús d'una eina predictiva de simulació per complementar l'eina de diagnòstic de la combustió i aprofundir en l'enteniment d'aquest tipus de cicles.[EN] Currently, the concern by the leading automotive companies for the increasingly stringent emissions regulations and the new homologation cycles of engines makes the in-depth study of alternative engines and the development of tools that are capable of predicting their behavior a topic of great interest and dedication. The present work focuses on the improvement of a combustion diagnostic tool based on the pressure measured in the cylinder of the engine, a type of tool with multiple advantages, especially when it comes to studying and understanding physical phenomena that appear in the combustion process. Specifically, the first part of the work will be to implement a filling and emptying submodel capable of simulating the load renewal process of the engine and to calculate variables such as trapped mass in the cylinder, a parameter of remarkable importance in the diagnosis of the combustion. On the other hand, an analysis of the feasibility of the model will be made. It Will be done through the study of several operating points in stationary conditions of the engine, as well as a WLTP transient homologation cycle. Due to the interest in the transient homologation cycles, a predictive simulation tool will be used to complement the combustion diagnostic tool and deepen understanding of this type of cycles.Olmeda Ramiro, I. (2018). Mejora de una herramienta de diagnóstico de la combustión mediante la implementación de un modelo de llenado-vaciado. Universitat Politècnica de València. http://hdl.handle.net/10251/111268TFG

Modelado mediante elementos finitos del ensayo "double cantilever beam (DCB)" de una unión adhesiva y validación experimental

[ES] El presente trabajo se orientará a caracterizar las diferentes propiedades que sean de importancia en el estudio de la fractura de piezas de acero con uniones adhesivas, de manera que se pueda asimilar a materiales compuestos. Los puntos a tratar serán: Realización de un ensayo experimental DCB (Double Cantilever Beam o viga doble en voladizo) con probetas de acero con unión adhesiva y medición de las propiedades más relevantes de este. Simulación mediante elementos finitos del ensayo realizado, a través de diversos métodos y técnicas tanto de simulación como de extracción de los resultados. Validación y comparación de las simulaciones y modelos numéricos con los resultados experimentales. En resumen, el objetivo del trabajo es caracterizar y modelar mediante elementos finitos el ensayo DCB de aceros, con su posterior validación experimental.Olmeda Ramiro, I. (2016). Modelado mediante elementos finitos del ensayo "double cantilever beam (DCB)" de una unión adhesiva y validación experimental. Universitat Politècnica de València. http://hdl.handle.net/10251/70100TFG